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在31年前(1979年)，一名剛獲得博士學(xué)位的研究員，為了開發(fā)一個(gè)軟件項(xiàng)目發(fā)明了一門新編程語(yǔ)言，該研究員名為Bjarne Stroustrup，該門語(yǔ)言則命名為——C with classes，四年后改稱為C++。C++是一門通用編程語(yǔ)言，支持多種編程范式，包括過(guò)程式、面向?qū)ο?object-oriented programming, OP)、泛型(generic programming, GP)，后來(lái)為泛型而設(shè)計(jì)的模版，被發(fā)現(xiàn)及證明是圖靈完備的，因此使C++亦可支持模版元編程范式(template metaprogramming, TMP)。C++繼承了C的特色，既為高級(jí)語(yǔ)言，又含低級(jí)語(yǔ)言功能，可同時(shí)作為系統(tǒng)和應(yīng)用編程語(yǔ)言。 C++廣泛應(yīng)用在不同領(lǐng)域，使用者以數(shù)百萬(wàn)計(jì)。根據(jù)近十年的調(diào)查，C++的流行程度約穩(wěn)定排行第3位(于C/Java之后)。 C++經(jīng)歷長(zhǎng)期的實(shí)踐和演化，才成為今日的樣貌。1998年，C++標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)排除萬(wàn)難，使C++成為ISO標(biāo)準(zhǔn)(俗稱C++98)，當(dāng)中含非常強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)模版庫(kù)(standard template library, STL)。之后委員會(huì)在2005年提交了有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的第一個(gè)技術(shù)報(bào)告(簡(jiǎn)稱TR1)，并為下一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)C++0x而努力。可惜C++0x并不能在200x年完成，各界希望新標(biāo)準(zhǔn)能于2011年內(nèi)出臺(tái)。 流行的C++編譯器中，微軟Visual C++ 2010已實(shí)現(xiàn)部分C++0x語(yǔ)法并加入TR1擴(kuò)充庫(kù)，而gcc對(duì)C++0x語(yǔ)法和庫(kù)的支持比VC2010更多。 應(yīng)否選擇C++哪些程序適宜使用C++?C++并非萬(wàn)能丹，我按經(jīng)驗(yàn)舉出一些C++的適用時(shí)機(jī)。
按應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，C++適用于開發(fā)服務(wù)器軟件、桌面應(yīng)用、游戲、實(shí)時(shí)系統(tǒng)、高性能計(jì)算、嵌入式系統(tǒng)等。 使用C++還是C?C++和C的設(shè)計(jì)哲學(xué)并不一樣，兩者取舍不同，所以不同的程序員和軟件項(xiàng)目會(huì)有不同選擇，難以一概而論。與C++相比，C具備編譯速度快、容易學(xué)習(xí)、顯式描述程序細(xì)節(jié)、較少更新標(biāo)準(zhǔn)(后兩者也可同時(shí)視為缺點(diǎn))等優(yōu)點(diǎn)。在語(yǔ)言層面上，C++包含絕大部分C語(yǔ)言的功能(例外之一，C++沒(méi)有C99的變長(zhǎng)數(shù)組VLA)，且提供OOP和GP的特性。但其實(shí)用C也可實(shí)現(xiàn)OOP思想，亦可利用宏去實(shí)現(xiàn)某程度的GP，只不過(guò)C++的語(yǔ)法能較簡(jiǎn)潔、自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)OOP/GP。C++的RAII(resource acquisition is initialization，資源獲取就是初始化)特性比較獨(dú)特，C/C#/Java沒(méi)有相應(yīng)功能。回顧歷史，Stroustrup開發(fā)的早期C++編譯器Cpre/Cfront是把C++源代碼翻譯為C，再用C編譯器編譯的。由此可知，C++編寫的程序，都能用等效的C程序代替，但C++在語(yǔ)言層面上提供了OOP/GP語(yǔ)法、更嚴(yán)格的類型檢查系統(tǒng)、大量額外的語(yǔ)言特性(如異常、RTTI等)，并且C++標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)也較豐富。有時(shí)候C++的語(yǔ)法可使程序更簡(jiǎn)潔，如運(yùn)算符重載、隱式轉(zhuǎn)換。但另一方面，C語(yǔ)言的API通常比C++簡(jiǎn)潔，能較容易供其他語(yǔ)言程序調(diào)用。因此，一些C++庫(kù)會(huì)提供C的API封裝，同時(shí)也可供C程序調(diào)用。相反，有時(shí)候也會(huì)把C的API封裝成C++形式，以支持RAII和其他C++庫(kù)整合等。 為何C++性能可優(yōu)于其他語(yǔ)言?相對(duì)運(yùn)行于虛擬機(jī)語(yǔ)言(如C#/Java)，C/C++直接以靜態(tài)形式把源程序編譯為目標(biāo)平臺(tái)的機(jī)器碼。一般而言，C/C++程序在編譯及鏈接時(shí)可進(jìn)行的優(yōu)化最豐富，啟動(dòng)時(shí)的速度最快，運(yùn)行時(shí)的額外內(nèi)存開銷最少。而C/C++相對(duì)動(dòng)態(tài)語(yǔ)言(如Python/Lua)也減少了運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)類型檢測(cè)。此外，C/C++的運(yùn)行行為是確定的，且不會(huì)有額外行為(例如C#/Java必然會(huì)初始化變量)，也不會(huì)有如垃圾收集(GC)而造成的不確定性延遲，而且C/C++的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在內(nèi)存中的布局也是確定的。有時(shí)C++的一些功能會(huì)使程序性能優(yōu)于C，當(dāng)中以內(nèi)聯(lián)和模版最為突出，這兩項(xiàng)功能使C++標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的sort()通常比C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的qsort()快多倍(C可用宏或人手編碼去解決此問(wèn)題)。另一方面，C/C++能直接映射機(jī)器碼，之間沒(méi)有另一層中間語(yǔ)言，因此可以做底層優(yōu)化，例如使用內(nèi)部(intrinsic)函數(shù)和嵌入?yún)R編語(yǔ)言。然而，許多C++的性能優(yōu)點(diǎn)并非免費(fèi)午餐，代價(jià)包括較長(zhǎng)的編譯鏈接時(shí)間和較易出錯(cuò)，因而增加開發(fā)時(shí)間和成本，這點(diǎn)稍后補(bǔ)充。 我進(jìn)行了一個(gè)簡(jiǎn)單全局渲染性能測(cè)試(512x512像素，每像素10000個(gè)采樣)，C++ 1小時(shí)36分、Java 3小時(shí)18分、Python約18天、Ruby約351天。評(píng)測(cè)方式和其他語(yǔ)言的結(jié)果詳見博文。 C++常見問(wèn)題C++源代碼跨平臺(tái)嗎?C++有不錯(cuò)的跨平臺(tái)能力，但由于直接映射硬件，因性能優(yōu)化的關(guān)系，跨平臺(tái)能力不及Java及多數(shù)腳本語(yǔ)言。然而，實(shí)踐跨平臺(tái)的C++軟件還是可行的，但須注意以下問(wèn)題：
總括而言，跨平臺(tái)C++軟件可在頭文件中用宏檢測(cè)編譯器和平臺(tái)，再用宏、typedef、自定平臺(tái)相關(guān)實(shí)現(xiàn)等方法去實(shí)踐跨平臺(tái)，C++標(biāo)準(zhǔn)不會(huì)提供這類幫助。 C++程序容易崩潰?和許多語(yǔ)言相比，C/C++提供不安全的功能以最優(yōu)化性能，有可能造成崩潰。但要注意，很多運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤，如向空指針/引用解引用、數(shù)組越界、堆棧溢出等，其他語(yǔ)言也會(huì)報(bào)錯(cuò)或拋出異常，這些都是程序問(wèn)題，而不是語(yǔ)言本身的問(wèn)題。有些意見認(rèn)為，出現(xiàn)這類運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤，應(yīng)該盡量寫入日志并立即崩潰，不該讓程序繼續(xù)運(yùn)行，以免造成更大的影響(例如程序繼續(xù)把內(nèi)存中錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)覆寫文件)。若要容錯(cuò)，可按業(yè)務(wù)把程序分割為多進(jìn)程，像Chrome或使用fork()的形式。然而，C++有許多機(jī)制可以減少錯(cuò)誤，例如以string代替C字符串；以vector或array(TR1)代替原始數(shù)組(有些實(shí)現(xiàn)可在調(diào)試模式檢測(cè)越界)；使用智能指針也能減少一些原始指針的問(wèn)題。另外，我最常遇到的Bug，就是沒(méi)有初始化成員變量，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致崩潰，而且調(diào)試版和發(fā)行版的行為可能不同。 C++要手動(dòng)做內(nèi)存管理?C++同時(shí)提供在堆棧上的自動(dòng)局部變量，以及從自由存儲(chǔ)(free store)分配的對(duì)象。對(duì)于后者，程序員需手動(dòng)釋放，或使用不同的容器和智能指針。 C++程序員經(jīng)常進(jìn)一步優(yōu)化內(nèi)存，自定義內(nèi)存分配策略以提升效能，例如使用對(duì)象池、自定義的單向/雙向堆棧區(qū)等。雖然C++0x還沒(méi)加入GC功能，但也可以自行編寫或使用現(xiàn)成庫(kù)。此外，C/C++也可以直接使用操作系統(tǒng)提供的內(nèi)存相關(guān)功能，例如內(nèi)存映射文件、共享內(nèi)存等。 使用C++常要重造輪子?我曾參與的C++項(xiàng)目，都會(huì)重造不少標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)已提供的功能，此情況在其他語(yǔ)言中較少出現(xiàn)。我試圖分析個(gè)中原因。首先，C++標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)相對(duì)很多語(yǔ)言來(lái)說(shuō)是貧乏的，各開發(fā)者便會(huì)重復(fù)地制造自訂庫(kù)。從另一個(gè)角度看，C++標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)是用C++編寫的(很多其他語(yǔ)言不用自身而是用C/C++去編寫庫(kù))，在能力和性能上，自訂庫(kù)和標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)并無(wú)本質(zhì)差別；另外，標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)為通用而設(shè)，對(duì)不同平臺(tái)及多種使用需求作取舍，性能上有所影響，例如EA公司就曾發(fā)表自制的EASTL規(guī)格，描述游戲開發(fā)方面對(duì)STL的性能及功能需求的特點(diǎn)；此外，多個(gè)C++庫(kù)一起使用，經(jīng)常會(huì)因規(guī)范不同而引起沖突，又或功能重疊，所以項(xiàng)目可能須自行開發(fā)，或引入其他庫(kù)的概念或?qū)崿F(xiàn)(如Boost/TR1/Loki)，改寫以符合項(xiàng)目規(guī)范。 C++編譯速度很慢?錯(cuò)，是非常慢。我認(rèn)為C++可能是實(shí)用程序語(yǔ)言中編譯速度最慢的。此問(wèn)題涉及C++沿用C的編譯鏈接方式，又加入了復(fù)雜的類/泛型聲明和內(nèi)聯(lián)機(jī)制，使編譯時(shí)間倍增。在C++對(duì)編譯方法改革之前(如module提案)，可使用以下技巧改善：第一，使用pimpl手法，因性能損耗應(yīng)用于調(diào)用次數(shù)不多的類；第二，僅包含必要頭文件，并盡量使用及提供前置聲明版本的頭文件(如iosfwd)；第三采用基于接口的設(shè)計(jì)，但須注意虛函數(shù)調(diào)用成本；第四，采用unity build，即把多個(gè)cpp文件結(jié)合在一個(gè)編譯單元進(jìn)行編譯；第五，采用分布式生成系統(tǒng)如IncrediBuild。 C++缺乏什么功能?雖然C++已經(jīng)非常復(fù)雜，但仍缺少很多常見功能。 C++0x作出了不少改善，例如語(yǔ)言方面加入Lambda函數(shù)、閉包、類型推導(dǎo)聲明等，而庫(kù)方面則加入正則表達(dá)式、采用哈希表的unordered_set/unordered_map、引用計(jì)數(shù)智能指針shared_ptr/weak_ptr等。但最值得留意的是C++0x引入多線程的語(yǔ)法和庫(kù)功能，這是C++演進(jìn)的一大步。然而，模組、GC、反射機(jī)制等功能雖有提案，卻未加進(jìn)C++0x。 C++使用建議為應(yīng)用挑選特性集我同意Stroustrup關(guān)于使用C++各種技術(shù)的回應(yīng)：“你可以做，不意味著你必須這么做。(Just because you can do it, doesn't mean that you have to.)” C++充滿豐富的特性，但同時(shí)帶來(lái)不同問(wèn)題，例如過(guò)分復(fù)雜、編譯及運(yùn)行性能的損耗。一般可考慮是否使用多重繼承、異常、RTTI，并調(diào)節(jié)使用模版及模版元編程的程度。使用過(guò)分復(fù)雜的設(shè)計(jì)和功能，可能會(huì)令部分團(tuán)隊(duì)成員更難理解和維護(hù)。 為團(tuán)隊(duì)建立編程規(guī)范C++的編碼自由度很高，容易編寫風(fēng)格迥異的代碼，C++本身也沒(méi)有定義一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。而且，C++的源文件物理構(gòu)成，較許多語(yǔ)言復(fù)雜。因此，除了決定特性集，每個(gè)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)建立一套編程規(guī)范，包括源文件格式(可使用文件模版)、花括號(hào)風(fēng)格。 盡量使用C++風(fēng)格而非C風(fēng)格由于C++有對(duì)C兼容的包袱，一些功能可以使用C風(fēng)格實(shí)現(xiàn)，但最好使用C++提供的新功能。最基本的是盡量以具名常量、內(nèi)聯(lián)函數(shù)和泛型取代宏，只把宏用在條件式編譯及特殊情況。舊式的C要求局部變量聲明在作用域開端，C++則無(wú)此限制，應(yīng)把變量聲明盡量置于鄰近其使用的地方，for()的循環(huán)變量聲明可置于for的括號(hào)內(nèi)。 C++中能加強(qiáng)類型安全的功能應(yīng)盡量使用，例如避免“萬(wàn)能”指針void *，而使用個(gè)別或泛型類型；用bool而非int表示布爾值；選用4種C++ cast關(guān)鍵字代替簡(jiǎn)單的強(qiáng)制轉(zhuǎn)換。 結(jié)合其他語(yǔ)言如前文所述，C++并非適合所有應(yīng)用情境，有時(shí)可以混合其他語(yǔ)言使用，包括用C++擴(kuò)展其他語(yǔ)言，或在C++程序中嵌入腳本語(yǔ)言引擎。對(duì)于后者，除了使用各種腳本語(yǔ)言的專門API，還可使用Boost或SWIG作整合。 C++學(xué)習(xí)建議C++缺點(diǎn)之一，是相對(duì)許多語(yǔ)言復(fù)雜，而且難學(xué)難精。許多人說(shuō)學(xué)習(xí)C語(yǔ)言只需一本K&R《C程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言》即可，但C++書籍卻是多不勝數(shù)。我是從C進(jìn)入C++，皆是靠閱讀自學(xué)。在此分享一點(diǎn)學(xué)習(xí)心得。個(gè)人認(rèn)為，學(xué)習(xí)C++可分為4個(gè)層次：
由于我主要是應(yīng)用C++，大約只停留于第二、三個(gè)層次。然而，C++只是軟件開發(fā)的一環(huán)而已，單憑語(yǔ)言并不能應(yīng)付業(yè)務(wù)和工程上的問(wèn)題。建議讀者不要強(qiáng)求幾年內(nèi)“徹底學(xué)會(huì)C++的知識(shí)”，到達(dá)第二層左右便從工作實(shí)戰(zhàn)中汲取經(jīng)驗(yàn)，有興趣才慢慢繼續(xù)學(xué)習(xí)更高層次的知識(shí)。雖然學(xué)習(xí)C++有難度，但也是相當(dāng)有趣且有滿足感的。 數(shù)十年來(lái)，C++雖有起伏，但她依靠其使用者而不斷得到頑強(qiáng)的生命力，相信在我退休之前都不會(huì)與她分離，也希望更進(jìn)一步了解她，與她走進(jìn)未來(lái)。 本文原于《程序員》2010年8月刊揭載。 |
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